轴向磁通电机与径向磁通电机电控系统的差异分析

摘要

轴向磁通永磁同步电机（AFPM）凭借高功率密度、高转矩密度、小型化等优势，在新能源汽车、精密伺服、特种装备等领域的应用日益广泛，其电控系统的设计与传统径向磁通永磁同步电机（RFPM）存在显著差异。本文聚焦电控系统核心环节，从控制算法、参数特性、硬件需求三个维度，系统剖析AFPM与RFPM在电控侧的本质区别，对比两者在FOC控制性能、逆变器硬件设计上的差异要点，总结AFPM电控系统的设计难点与适配原则，为AFPM电控系统的研发、参数整定及工程落地提供理论参考与技术支撑。

关键词

轴向磁通电机；径向磁通电机；电控系统；FOC控制；逆变器设计；参数整定

引言

永磁同步电机（PMSM）作为高效节能电机的核心类型，分为轴向磁通与径向磁通两种主流结构。径向磁通电机（RFPM）因结构成熟、制造工艺简单，长期占据工业驱动、民用设备等主流市场，其电控技术已发展完善。而轴向磁通电机（AFPM）采用轴向磁场耦合方式，气隙磁路短、铁芯利用率高，在相同体积和重量下，功率密度与转矩密度较RFPM可提升30%以上，适配高端装备小型化、高效化的发展需求。

电控系统作为电机运行的“大脑”，直接决定电机的控制精度、动态响应与运行稳定性。由于AFPM与RFPM在本体结构上的差异，导致两者在相电感、反电动势波形、极对数等核心电气参数上存在显著不同，进而对电控系统的控制算法、硬件选型、参数整定提出了差异化要求。传统RFPM的电控方案无法直接迁移至AFPM，若忽视两者电控差异，易导致AFPM运行时转矩脉动大、电流不稳定、保护失效等问题。因此，深入分析AFPM与RFPM电控系统的核心差异，明确AFPM电控设计的关键要点，具有重要的工程实践意义。本文仅聚焦电控侧差异，不涉及电机本体结构设计相关内容。

一、电控系统核心电气参数差异

AFPM与RFPM电控系统的本质差异，源于两者电机本体结构不同导致的核心电气参数差异，这些参数直接决定了电控系统的控制策略与硬件选型，是后续控制算法设计与参数整定的基础。

1.1 相电感差异

相电感是影响电机电流控制的核心参数，直接决定电流的上升/下降速率与电流纹波大小。

RFPM的磁路沿径向分布，铁芯叠片厚度大、磁路长度较长，相电感通常较大（一般为几百微亨至几毫亨），电流纹波较小，电流环控制难度较低，无需过高的控制带宽即可实现稳定控制。

AFPM采用轴向磁路设计，气隙磁路短，且多采用薄铁芯或无轭铁芯结构，铁芯磁阻小，导致其相电感Ls通常很小，多数AFPM的相电感仅为几十微亨，部分无轭AFPM的相电感甚至低于10μH。相电感小使得AFPM的电流上升/下降速率极快，电流纹波相对较大，对电流环的控制带宽提出了更高要求。

1.2 反电动势波形差异

反电动势是电机运行时绕组切割磁力线产生的感应电动势，其波形特性直接影响FOC（磁场定向控制）算法的控制精度与转矩脉动大小。

RFPM的绕组分布均匀，磁场沿圆周方向近似正弦分布，其反电动势波形接近标准正弦波，与FOC算法的控制逻辑天然适配，采用传统id=0控制策略即可实现较小的转矩脉动，控制误差小。

AFPM的绕组多采用集中绕组或短距绕组设计，磁场分布受铁芯结构与绕组布局影响较大，其反电动势波形更接近梯形波或平顶波，谐波含量远高于RFPM。反电动势的非正弦特性导致传统FOC算法控制时，转矩脉动显著增大，控制误差上升，需通过专门的谐波补偿策略优化控制精度。

1.3 极对数差异

极对数决定了电机机械转速与电频率的关系（电频率=机械转速×极对数/60），直接影响电控系统的角度采样精度与控制实时性。

RFPM的极对数通常较低，工业常用RFPM的极对数多为3~8对，机械转速与电频率的匹配关系较为平缓，对编码器的采样精度与控制周期要求相对较低。

AFPM为了提升功率密度与转矩密度，通常设计为多极对数结构，常用极对数为12~24对，部分特种AFPM的极对数可达到30对以上。极对数高使得AFPM在相同机械转速下，电频率远高于RFPM，对编码器的精度、角度采样延迟提出了更高要求，同时也增加了电控系统的计算负荷，需要更高的控制实时性。

1.4 功率因数与转矩密度差异

RFPM的漏磁相对较大，功率因数通常为0.8~0.95，存在一定的无功损耗，逆变器利用率有待提升；其转矩密度受径向磁路结构限制，相同体积下转矩输出有限，过载运行时发热相对平缓，对电控保护的灵敏度要求不高。

AFPM的轴向漏磁极小，磁场利用率高，功率因数接近1，无功损耗低，相同母线电压下逆变器的利用率更高，可实现更高的转速输出；其转矩密度远高于RFPM，相同体积下转矩输出可提升30%以上，过载能力强，但过载运行时发热速度快，对电控系统的过载保护、热保护灵敏度提出了更严格的要求。

二、FOC控制算法差异

FOC算法是当前AFPM与RFPM电控系统的主流控制算法，核心是通过坐标变换实现转矩与磁链的解耦控制，但由于两者核心电气参数的差异，导致FOC算法的参数整定、控制策略存在显著不同，控制性能也存在差异。

2.1 电流环控制差异

电流环是FOC算法的核心环节，负责跟踪电流指令，直接影响电机的动态响应与转矩控制精度。

RFPM相电感较大，电流变化速率慢，电流环带宽无需过高，通常设置为1~5kHz即可实现稳定控制；PI参数整定相对简单，Ki值可适当增大，Kp值适中，即可有效抑制电流纹波，实现电流的快速跟踪。

AFPM相电感小，电流变化速率快，传统RFPM的电流环带宽无法满足其控制需求，需将电流环带宽提升至5~20kHz，同时需提高PWM频率（通常设置为16~30kHz），以抑制电流纹波；PI参数需重新整定，需增大Kp值以提升电流跟踪速度，减小Ki值以避免电流振荡，确保电流环的稳定性。

2.2 转矩控制差异

RFPM反电动势波形接近正弦波，采用传统id=0的FOC控制策略，即可实现转矩与磁链的有效解耦，转矩脉动较小，控制误差小，无需复杂的补偿策略。

AFPM反电动势波形非正弦，谐波含量高，采用传统id=0控制策略时，转矩脉动显著增大，影响电机运行稳定性。因此，AFPM的FOC控制需增加谐波补偿模块，对反电动势的高次谐波进行抑制，或改用直接转矩控制（DTC）算法，以降低转矩脉动，提升控制精度；同时，由于AFPM转矩密度高，需优化转矩指令的限制策略，避免过载运行导致的发热过快问题。

2.3 角度采样与速度环控制差异

RFPM极对数低，电频率适中，对编码器的采样精度要求较低，采用普通霍尔传感器或增量式编码器即可满足需求；速度环带宽通常设置为100~500Hz，PI参数整定简单，可实现稳定的速度控制。

AFPM极对数高，电频率高，对编码器的采样精度、角度采样延迟更敏感，普通霍尔传感器无法满足控制需求，需采用高精度磁编码器（如MT6701、AS5600）或绝对式编码器，以减小角度采样误差；速度环带宽需适当提升至500~1000Hz，同时需优化速度环PI参数，抑制低速运行时的零漂问题，提升速度控制的平稳性。

2.4 弱磁扩速控制差异

弱磁扩速控制用于提升电机在高速区间的运行性能，其控制难度与电机功率因数、相电感密切相关。

RFPM功率因数较低，相电感较大，弱磁扩速区间较宽，但弱磁控制难度较大，需精确控制d轴去磁电流，避免电机失磁，同时需补偿反电动势的变化，确保高速运行的稳定性。

AFPM功率因数接近1，相电感小，弱磁扩速区间相对较窄，但弱磁控制难度较低，无需过大的d轴去磁电流即可实现高速运行，且反电动势变化平缓，弱磁控制策略更简单，相同母线电压下可实现更高的转速输出。

2.5 FOC控制性能对比

为更直观体现两者FOC控制的差异，将核心控制性能参数整理如下表所示。

三、逆变器硬件设计差异

逆变器作为电控系统的功率输出环节，负责将直流电能转换为交流电能驱动电机运行，其硬件设计直接受电机电气参数与控制需求的影响。由于AFPM与RFPM在相电感、电流变化特性等方面的差异，两者逆变器的硬件选型与设计存在显著不同，核心差异集中在电流采样、死区控制、母线电容三个方面。

3.1 电流采样环节差异

电流采样是电控系统实现电流闭环控制、过载保护的基础，采样精度与响应速度直接影响控制性能与保护可靠性。

RFPM相电感较大，电流变化速率慢，电流纹波较小，采用普通采样电阻（0.01~0.05Ω）即可满足采样需求，采样频率无需过高，采样电路的抗干扰要求相对较低，可采用低成本的分流电阻采样或霍尔电流传感器采样方案。

AFPM相电感小，电流变化速率极快（ΔI=V·Δt/L），电流纹波较大，对采样电阻的响应速度与抗干扰能力提出了更高要求。因此，AFPM逆变器需采用更小的采样电阻（0.005~0.02Ω），以降低采样损耗、提升采样响应速度；同时，采样电阻需具备良好的温度稳定性与抗干扰性能，避免电流采样误差过大导致控制失效；采样频率需与PWM频率匹配，确保准确捕捉电流变化波形。

3.2 死区时间控制差异

死区时间是逆变器桥臂上下管避免同时导通短路而设置的间隔时间，死区时间的长短会影响逆变器的输出波形质量，进而影响电机运行性能。

RFPM相电感较大，电流变化速率慢，对死区时间导致的输出波形畸变不敏感，通常设置较小的死区时间（1~3μs）即可，无需复杂的死区补偿策略，即可保证输出波形质量满足控制需求。

AFPM相电感小，电流变化速率快，对死区时间导致的输出波形畸变更敏感，即使较小的死区时间，也会导致输出电压波形畸变加剧，进而增大电流纹波与转矩脉动。因此，AFPM逆变器需优化死区时间设置，通常将死区时间控制在0.5~2μs，同时需增加死区补偿模块，对死区时间导致的电压误差进行补偿，以提升输出波形质量，抑制电流纹波与转矩脉动。

3.3 母线电容选型差异

母线电容作为逆变器的储能元件，负责稳定母线电压、抑制母线纹波，其容量与ESR（等效串联电阻）直接影响母线电压的稳定性与逆变器的运行可靠性。

RFPM电流变化速率慢，电流纹波较小，母线纹波相对平缓，对母线电容的容量与ESR要求相对较低，可采用普通铝电解电容或薄膜电容，电容容量根据电机额定功率选型即可，无需额外预留余量。

AFPM电流变化速率快，电流纹波较大，导致母线纹波显著增大，对母线电容的容量与ESR提出了更高要求。因此，AFPM逆变器需选用容量更大、ESR更小的母线电容，通常需在RFPM选型基础上增加20%~50%的容量余量，以抑制母线纹波；同时，建议采用低ESR的薄膜电容或混合电容方案，提升母线电压的稳定性，避免电容过热损坏，确保逆变器长期可靠运行。

四、结语

轴向磁通电机与径向磁通电机在电控系统上的核心差异，源于两者电机本体结构导致的相电感、反电动势波形、极对数、功率因数等核心电气参数的不同，进而延伸至控制算法与逆变器硬件设计的全方位差异。

与径向磁通电机电控系统相比，轴向磁通电机电控系统需具备更高的电流环带宽、更高的PWM频率，需优化FOC控制算法并增加谐波补偿策略，同时逆变器硬件需选用高精度采样元件、低ESR母线电容，并优化死区控制与保护策略。传统径向磁通电机的电控方案无法直接迁移至轴向磁通电机，需结合轴向磁通电机的电气参数特性，针对性设计控制算法、选型硬件、整定参数。

本文系统剖析了两者电控系统的核心差异，为轴向磁通电机电控系统的研发与工程落地提供了理论参考。后续可进一步深入研究轴向磁通电机的谐波抑制策略、参数自整定方法，以及高功率密度逆变器的集成设计，推动轴向磁通电机与电控系统的一体化发展。

 
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